JP7159617B2 - 冷却装置、半導体モジュール、車両および製造方法 - Google Patents

冷却装置、半導体モジュール、車両および製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、冷却装置、半導体モジュール、車両および製造方法に関する。
従来、パワー半導体チップ等の半導体素子を含む半導体モジュールにおいて、冷却装置を設けた構成が知られている（例えば、特許文献１－３参照）。
特許文献１ 特開２０１６－２２５５３０号公報
特許文献２ 特開２０１５－１５２７４号公報
特許文献３ 特許第６２３９９９７号
冷却フィンの間に異物が挟まると、冷媒の流れが阻害されてしまう。
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、半導体チップを含む半導体モジュール用の冷却装置を提供する。冷却装置は、天板、底板、ならびに、天板および底板の間に配置された側壁板を含み、天板、底板および側壁板に囲まれた冷媒流通部を有するケース部を備えてよい。冷却装置は、ケース部の冷媒流通部において天板に固定された複数の第１冷却ピンを備えてよい。冷却装置は、ケース部の冷媒流通部において天板に固定され、天板から底板に向かう厚み方向における長さが、第１冷却ピンよりも長い複数の第２冷却ピンを備えてよい。１つ以上の第１冷却ピンと、１つ以上の第２冷却ピンとが、天板と平行な面における第１方向に沿って交互に２回ずつ以上配置されていてよい。
第１冷却ピンの底板側の端部と、底板との間に、厚み方向における長さが１ｍｍ以上の空間部が設けられていてよい。
第１冷却ピンおよび第２冷却ピンは、予め定められた冷却フィン領域内に配置されていてよい。空間部は、予め定められた直線方向において、冷却フィン領域を横断して連続して設けられていてよい。
直線方向および厚み方向の両方に垂直な方向における空間部の幅は、１ｍｍ以上であってよい。
１つ以上の第１冷却ピンと、１つ以上の第２冷却ピンとが、第１方向とは異なる第２方向に沿って交互に２回ずつ以上配置されていてよい。
第１方向および第２方向の少なくとも一方において、第２冷却ピンの間には、複数の第１冷却ピンが配置されていてよい。
第１冷却ピンおよび第２冷却ピンは、天板の長手方向において予め定められた第１間隔で配置されていてよい。長手方向において最も端に配置された冷却ピンと、側壁板との距離が、第１間隔の２倍以上であってよい。
天板は、複数の第１冷却ピンおよび複数の第２冷却ピンが固定された下面と、下面とは逆側の上面とを有してよい。天板には、上面において複数の第１冷却ピンまたは複数の第２冷却ピンと重なる領域の少なくとも一部に凹部が設けられていてよい。
天板は、凹部を囲む外周部を有し、厚み方向における外周部の厚みは凹部の厚みよりも大きくてよい。
天板は、連続した一枚の板部材であってよい。
天板は、上面および下面を含む板形状であり、下面に複数の第１冷却ピンおよび複数の第２冷却ピンが固定された下側板状部を有してよい。天板は、下側板状部の上面に固定され、凹部と対応する領域に貫通開口が設けられた上側枠状部を有してよい。
天板は、複数の凹部と、２つの凹部に挟まれた相間領域（または相間部）とを有してよい。相間領域（または相間部）と重なる位置に、第１冷却ピンよりも厚み方向における長さが小さい第３冷却ピンが配置されていてよい。
本発明の第２の態様においては、第１の態様に係る冷却装置と、天板の上方に配置された半導体装置とを備える半導体モジュールを提供する。
本発明の第３の態様においては、第２の態様に係る半導体モジュールを備える車両を提供する。
本発明の第４の態様においては、天板に凹部が設けられた第１の態様に係る冷却装置の製造方法を提供する。製造方法においては、凹部を鍛造加工により形成してよい。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の一例を示す模式的な断面図である。 上面視（ｘｙ面）における複数の冷却ピン９４の配置の概要を示す図である。 複数の冷却ピン９４の一例を示す斜視図である。 ｘｙ面における第１冷却ピン９４－１および第２冷却ピン９４－２の配置例を示す図である。 空間部９８を説明する図である。 ケース部４０において天板２０を分離して示した斜視図である。 ケース部４０の他の例を示す斜視図である。 ケース部４０の他の例を示す斜視図である。 天板２０を固定した状態のケース部４０を示す斜視図である。 凹部３０に配置される回路基板７６および半導体チップ７８の一例を示す斜視図である。 凹部３０とフィン領域９５の配置例を示す図である。 凹部３０を有する天板２０の構造例を示す斜視図である。 本発明の一つの実施形態に係る車両２００の概要を示す図である。 本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の主回路図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の一例を示す模式的な断面図である。半導体モジュール１００は、半導体装置７０および冷却装置１０を備える。本例の半導体装置７０は、冷却装置１０の上に配置されている。本明細書では、半導体装置７０が配置されている冷却装置１０の面をｘｙ面とし、ｘｙ面と垂直な面をｚ軸とする。本明細書では、ｚ軸方向において冷却装置１０から半導体装置７０に向かう方向を上、逆の方向を下と称するが、上および下の方向は、重力方向に限定されない。また本明細書では、各部材の面のうち、上側の面を上面、下側の面を下面、上面および下面の間の面または壁を側面または側壁と称する。
半導体装置７０は、パワー半導体チップ等の半導体チップ７８を１つ以上含む。一例として半導体チップ７８には、シリコン等の半導体基板に形成された絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が設けられている。
半導体装置７０は、回路基板７６と、収容部７２とを有する。回路基板７６は、一例として絶縁基板に回路パターンが設けられた基板である。回路基板７６には、はんだ等を介して半導体チップ７８が固定されている。収容部７２は、樹脂等の絶縁材料で形成されている。収容部７２は、半導体チップ７８、回路基板７６および配線等を収容する内部空間を有する。収容部７２の内部空間には、半導体チップ７８、回路基板７６および配線等を封止する封止部７４が充填されていてよい。封止部７４は、例えばシリコーンゲルまたはエポキシ樹脂等の絶縁部材である。半導体装置７０において、半導体チップ７８がそれぞれ固定された複数の回路基板７６が、ｙ軸方向に配置されてよい。
本例の冷却装置１０は、天板２０、底板６４および側壁板６３を含むケース部４０を有する。天板２０は、ｘｙ面と平行な上面２２および下面２４を有する板状の金属板であってよい。一例として天板２０は、アルミニウムを含む金属で形成されている。天板２０の上面２２には、半導体装置７０が配置される。天板２０には、半導体チップ７８が発生した熱が伝達される。例えば天板２０および半導体チップ７８の間は、回路基板７６、金属板およびはんだ等の熱伝導性の部材が配置されている。回路基板７６は、はんだ等により天板２０の上面２２に直接的に固定されていてよい。この場合、収容部７２は、天板２０の上面２２において回路基板７６等が配置された領域を囲んで設けられる。他の例では、半導体装置７０は収容部７２の下面に露出する金属板を有しており、当該金属板の上面に回路基板７６が固定され、当該金属板が天板２０の上面２２に固定されていてもよい。
底板６４は、天板２０の下面２４と向かい合って配置されている。底板６４は、天板２０の下面２４と対向する上面６５と、上面６５とは逆側の下面６６とを有する。底板６４の上面６５と天板２０の下面２４は、所定の間隔をあけ、実質的に平行に配置されてよい。側壁板６３は、天板２０および底板６４の間に配置されている。側壁板６３は、底板６４の外周端と天板２０とを接続している。底板６４および側壁板６３は一体に形成されていてよい。
ケース部４０は、天板２０、側壁板６３および底板６４に囲まれた冷媒流通部９２を有する。冷媒流通部９２は、天板２０の下面２４と底板６４の上面６５との間に配置されている。冷媒流通部９２は、水等の冷媒が流通する領域である。冷媒流通部９２は、天板２０の下面２４に接する密閉空間であってよい。
本例のケース部４０は、ｘｙ面において冷媒流通部９２を囲んで設けられた周縁部６２を有する。周縁部６２は、ｘｙ面において、冷媒流通部９２を囲む枠形状を有してよい。周縁部６２は、側壁板６３の上端から、ｘｙ面に沿って外側に延伸して設けられている。外側とは、冷媒流通部９２とは逆側を指す。周縁部６２は、天板２０の下面２４に直接または間接に密着して配置されている。これにより、冷媒流通部９２を密閉している。なお、間接に密着とは、天板２０の下面２４と周縁部６２との間に設けられた、シール材、接着剤、または、その他の部材を介して、天板２０の下面２４と周縁部６２とが密着している状態を指す。密着は、冷媒流通部９２の内部の冷媒が、当該密着部分から漏れ出ない状態を指す。
図１の例では、周縁部６２、側壁板６３および底板６４が一体に形成されて、ロウ付け等により天板２０に固定されている。他の例では、天板２０と側壁板６３とが一体に形成されていてもよい。この場合、ケース部４０は、周縁部６２を有さなくてよい。また、底板６４が側壁板６３にロウ付け等により固定されていてもよい。
冷媒流通部９２の内部には複数の冷却ピン９４が配置されている。本例の複数の冷却ピン９４は、天板２０の下面２４に固定されている。冷却ピン９４と天板２０は熱的に接続されている。これにより、半導体チップ７８等が発生した熱が、冷却ピン９４に伝達される。冷却ピン９４の近傍に冷媒を通過させることで、半導体チップ７８が発生した熱を冷媒に受け渡す。これにより、半導体装置７０を冷却できる。
複数の冷却ピン９４には、複数の第１冷却ピンと、第１冷却ピンよりも長い複数の第２冷却ピンが含まれるが、図１においては、模式的に全ての冷却ピン９４の長さを同一にしている。冷却ピン９４の長さとは、天板２０から底板６４に向かう厚み方向（本例ではｚ軸方向）における長さを指す。第２冷却ピンよりも短い第１冷却ピンの下端と、底板６４との間には、比較的に大きい空間部が生じる。空間部を設けることで、冷媒に含まれる異物等が通過しやすくなる。このため、冷却ピン９４の間に異物が挟まってしまい、冷媒の通過が阻害されることを抑制できる。
本例では、天板２０および周縁部６２の間はロウ付けされている。一例として、天板２０および周縁部６２は、同一組成の材料（本例では金属）で形成されており、ロウ材は、天板２０等よりも融点の低い金属で形成されている。
上述したように、底板６４は、天板２０とｚ軸方向において対向して、且つ、天板２０の下面２４との間に冷媒流通部９２を有して配置されている。底板６４は、ケース部４０において天板２０と離れて配置された部分のうち、天板２０と平行な部分を指してよい。本例の底板６４には、冷媒流通部９２に冷媒を導入し、または、導出する２つ以上の開口部４２が設けられている。図１に示す断面においては、１つの開口部４２だけを示している。他の例では、開口部４２は側壁板６３に設けられていてもよい。
天板２０には、互いを締結するためのネジ等が挿入される貫通孔が設けられてよい。貫通孔は、半導体モジュール１００を外部の装置に固定するために用いられてもよい。貫通孔は、天板２０および周縁部６２が、直接または間接に密着してｚ軸方向において重なって配置された領域に設けられている。
少なくとも一部の冷却ピン９４は、２つの開口部４２の間に設けられている。冷却ピン９４を挟んで設けられた一方の開口部４２は、冷媒を冷媒流通部９２に導入する導入口として機能して、他方の開口部４２は、冷媒を冷媒流通部９２から導出する導出口として機能する。いずれの開口部４２を、導入口および導出口のいずれとして機能させるかは、ユーザーが適宜選択できる。
図２は、上面視（ｘｙ面）における複数の冷却ピン９４の配置の概要を示す図である。図２においては、底板６４および周縁部６２を合わせて示している。本例の周縁部６２は、上面視において２組の対向する辺２６、２８を有する。本例の周縁部６２は、短辺２６と、長辺２８とを有している。ケース部４０が周縁部６２を有さない場合、底板６４が辺２６、２８を有してよい。なお図１に示した冷却装置１０の断面は、図２におけるＡ－Ａ断面に対応する。
周縁部６２のそれぞれの角には、貫通孔８６が設けられている。ｘｙ面において周縁部６２は、所定の領域を囲む枠形状を有する。ｘｙ面において周縁部６２の内側には、底板６４が配置されている。底板６４には、２つの開口部４２が設けられている。本例の開口部４２は、底板６４の２つの対角に配置されているが、開口部４２の位置はこれに限定されない。
複数の冷却ピン９４は、２つの開口部４２に挟まれたフィン領域９５に配置されている。フィン領域９５は、長辺２８に平行な辺と、短辺２６に平行な辺を有してよい。本例のフィン領域９５は、長辺２８に沿った側壁板６３との間に所定の幅の冷媒流路９９を有する。本例の冷媒流路９９は、長辺２８に沿ってｙ軸方向に伸びている。開口部４２から導入された冷媒は、冷媒流路９９に沿ってｙ軸方向に流れつつ、複数の冷却ピン９４の間を通過して他の開口部４２に向かう方向にも流れる。このような構成により、冷媒はフィン領域９５の全体を通過する。
フィン領域９５は、少なくとも半導体チップ７８と重なる領域に設けられている。フィン領域９５は、回路基板７６と重なる領域に設けられてもよい。フィン領域９５は、回路基板７６よりも広い範囲に設けられていてもよい。このような構成により、半導体装置７０を冷却できる。フィン領域９５は、開口部４２と重なる位置には設けられていなくてよい。
図３は、複数の冷却ピン９４の一例を示す斜視図である。それぞれの冷却ピン９４は、厚み方向（ｚ軸方向）に長手を有する柱形状である。図３においては、それぞれの冷却ピン９４を模式的に円柱で示しているが、冷却ピン９４の形状はこれに限定されない。円すい台や角柱であってもよい。
冷却装置１０は、複数の第１冷却ピン９４－１と、複数の第２冷却ピン９４－２とを有する。それぞれの冷却ピン９４は、冷媒流通部９２において、天板２０の下面２４に固定されている。
第２冷却ピン９４－２は、厚み方向（ｚ軸方向）における長さが、第１冷却ピン９４－１よりも長い。つまり、第２冷却ピン９４－２と底板６４の上面６５との距離は、第１冷却ピン９４－１と底板６４の上面６５との距離よりも小さい。第２冷却ピン９４－２の下端は、底板６４の上面６５と接していてもよい。
第１冷却ピン９４－１は、天板２０の下面２４において、少なくとも２つの方向において２次元的に分散して配置されていてよい。ｘｙ面の単位面積当たりに第１冷却ピン９４－１が配置されている本数は、フィン領域９５の全体において均一であってよく、異なっていてもよい。第１冷却ピン９４－１は、ｘｙ面の所定の方向に沿って等間隔に配置されていてよく、非等間隔に配置されていてもよい。
第１冷却ピン９４－１を設けることで、冷却ピン９４の下端と、底板６４の上面６５との間に、比較的に大きな空間部を設けることができる。このため、当該空間部を通って異物が通過しやすくなり、フィン領域９５の内部に異物が留まることを抑制できる。このため、異物による冷媒の流れの偏りを抑制し、また、冷媒を流通させるときの圧力損失を低減できる。
図４は、ｘｙ面における第１冷却ピン９４－１および第２冷却ピン９４－２の配置例を示す図である。図４においては、フィン領域９５の一部分だけを示している。図４においては、第１冷却ピン９４－１を白丸で示し、第２冷却ピン９４－２を黒丸で示している。なお白丸および黒丸は、冷却ピン９４のｘｙ面における位置を示しており、丸の大きさは、冷却ピン９４の大きさとは必ずしも一致していない。
本例では、１つ以上の第１冷却ピン９４－１と、１つ以上の第２冷却ピン９４－２とが、天板２０と平行なｘｙ面における第１方向に沿って交互に２回ずつ以上配置されている。図４の例では、直線１０２で示される第１方向に沿って、１つの第２冷却ピン９４－２と、２つの第１冷却ピン９４－１とが交互に２回以上繰り返して配置されている。本例における第１方向は、ｙ軸と平行な方向（すなわち、長辺２８と平行な方向）である。
なお、第２冷却ピン９４－２が第１方向に配置されている周期は、フィン領域９５全体において一定であってよく、異なっていてもよい。このように、第１冷却ピン９４－１と第２冷却ピン９４－２とを、フィン領域９５内において複数回繰り返して配置しているので、異物が通過する空間部をフィン領域９５内に繰り返して配置できる。このため、フィン領域９５内に異物が留まることを抑制しやすくなる。
また、１つ以上の第１冷却ピン９４－１と、１つ以上の第２冷却ピン９４－２とが、第１方向とは異なる第２方向に沿って交互に２回ずつ以上配置されていてよい。これにより、第１冷却ピン９４－１と第２冷却ピン９４－２とを、２次元的に繰り返して配置できる。このため、フィン領域９５内に異物が留まることを抑制しやすくなる。図４の例では、直線１０４で示される第２方向に沿って、１つの第２冷却ピン９４－２と、２つの第１冷却ピン９４－１とが交互に２回以上繰り返して配置されている。本例における第２方向は、第１方向に対して６０度の傾きを有しているが、第２方向はこれに限定されない。また、図４の例では、冷却ピン９４がそれぞれ、上面視において、三角格子の格子点上に配置されるが、矩形格子の格子点上に配置されてもよい。ここで三角格子は正三角格子および二等辺三角格子を含んでよく、矩形格子は正方格子を含んでよい。
フィン領域９５に設けられる第１冷却ピン９４－１の本数は、第２冷却ピン９４－２の本数より多くてよい。この場合、異物を容易に通過させることができる。また、フィン領域９５に設けられる第１冷却ピン９４－１の本数は、第２冷却ピン９４－２の本数より少なくてもよい。この場合、冷却ピン９４の表面積の総和を大きくすることができる。フィン領域９５に設けられる第１冷却ピン９４－１の本数は、第２冷却ピン９４－２の本数と同一であってもよい。
図４に示すように、第１方向および第２方向の少なくとも一方において、第２冷却ピン９４－２の間には、複数の第１冷却ピン９４－１が配置されていてよい。複数の第１冷却ピン９４－１が連続して配置されることで、異物が通過する空間部の幅を大きくでき、異物を容易に通過させることができる。
図４の例では、第２冷却ピン９４－２は、ｘ軸方向に沿って並んで配置されている。ｘ軸方向において、２つの第２冷却ピン９４－２の間には、第１冷却ピン９４－１が配置されてよく、配置されていなくてもよい。第２冷却ピン９４－２のｘ軸方向の各列９６の間には、第１冷却ピン９４－１の１つ以上の列９７が配置されている。列９７における２つの第１冷却ピン９４－１の間には、第２冷却ピン９４－２が配置されていない。
このように、比較的に短い第１冷却ピン９４－１を、ｘ軸方向に連続して配置することで、空間部９８を、所定の直線方向に沿ってフィン領域９５を横断するように連続して設けることができる。図４の例において、空間部９８が設けられる直線方向はｘ軸方向である。空間部９８がフィン領域９５を横断するとは、空間部９８がフィン領域９５の一つの端部から、別の端部まで連続して設けられていることを指す。
空間部９８は、底板６４の上面６５に接する空間である。空間部９８には、第１冷却ピン９４－１と、底板６４の上面６５との間における空間が含まれる。空間部９８がフィン領域９５を横断することで、フィン領域９５に侵入した異物の排出が、更に容易になる。本例において、空間部９８はｘ軸方向に沿ってフィン領域９５を横断したが、他の例では、空間部９８はｘ軸方向とは異なる直線方向においてフィン領域９５を横断していてもよい。ただし、空間部９８は、一方の冷媒流路９９と、他方の冷媒流路９９とを接続するように、フィン領域９５を横断することが好ましい。
本例では、第１方向（直線１０２）における冷却ピン９４の間隔を第１間隔Ｐ１とする。また、第２方向（直線１０４）における冷却ピン９４の間隔を第２間隔Ｐ２とする。２つの冷却ピン９４の間隔は、２つの冷却ピン９４の端部どうしの最短距離を指す。第２間隔Ｐ２は、第１間隔Ｐ１と同一であってよく、異なっていてもよい。また、第２冷却ピン９４－２の２つの列９６の第３間隔をｙ１とする。本例において第３間隔ｙ１は、空間部９８のｙ軸方向における幅に相当する。
底板６４および天板２０の長手方向（本例ではｙ軸方向）において最も端に配置された冷却ピン９４と、側壁板６３との距離をｙ２とする。距離ｙ２は、第１間隔Ｐ１の２倍以上であってよい。これにより、側壁板６３と、フィン領域９５との間を異物が通過しやすくなる。距離ｙ２は、第１間隔Ｐ１の３倍以上であってよく、４倍以上であってもよい。
図５は、空間部９８を説明する図である。図５においては、ｙ軸に沿って配置された複数の冷却ピン９４を実線で示しており、これらの冷却ピン９４よりもｘ軸方向において奥に配置されている冷却ピン９４を破線で示している。
図４に示したように、第２冷却ピン９４－２は、ｘ軸方向に沿った列９６に配置されている。列９６の間には、第１冷却ピン９４－１が配置されている。このため、第２冷却ピン９４－２の列９６の間には、ｘ軸方向に伸びる空間部９８が設けられる。図５においては、空間部９８に斜線のハッチングを付している。
空間部９８の厚み方向（ｚ軸方向）における長さをｚ１とする。長さｚ１は、底板６４の上面６５と、第１冷却ピン９４－１の下端との距離に相当する。長さｚ１は、１ｍｍ以上であることが好ましい。これにより、異物を容易に通過させることができる。長さｚ１は、２ｍｍ以上であってよく、３ｍｍ以上であってもよい。なお、第１冷却ピン９４－１の長さｚ２は、天板２０の下面２４と底板６４の上面６５との距離ｚ３（すなわち、冷媒流通部９２の厚み）の半分以上であってよく、３／４以上であってもよい。第１冷却ピン９４－１の長さを確保することで、異物の通過を容易にしつつ、効率よく放熱できる。
図５に示すように、冷却ピン９４は、ｘｙ面における断面積がほぼ一定の柱形状を有してよい。また、少なくとも一部の冷却ピン９４は、底板６４に近づくほど断面積が小さくなるテーパー形状を有してもよい。これにより、フィン領域９５に侵入した異物を、空間部９８の方向に移動させやすくなる。第１冷却ピン９４－１がテーパー形状を有してもよい。
また、空間部９８のｙ軸方向の幅ｙ１は、１ｍｍ以上であることが好ましい。これにより、異物を容易に通過させることができる。幅ｙ１は、２ｍｍ以上であってよく、３ｍｍ以上であってもよい。
図６は、ケース部４０において天板２０を分離して示した斜視図である。天板２０は、ｘｙ面において２組の対向する辺１６、１８を有する。本例の天板２０は、短辺１６と、長辺１８とを有する略矩形形状である。本例では、短辺１６はｘ軸に平行な辺であり、長辺１８はｙ軸に平行な辺である。
天板２０には、半導体モジュール１００を外部装置に固定するために用いられる貫通孔の一部である貫通孔８２が設けられている。本例の貫通孔８２は、天板２０の４つの角に設けられているが、貫通孔８２の位置および個数はこれに限定されない。また、天板２０の形状は、図６に示したような矩形に限定されない。天板２０は、ｘｙ面において各辺から突出した部分を有してよい。貫通孔８２は、当該突出部分に設けられてもよい。
本例では、周縁部６２と天板２０は、ｘｙ面においてほぼ同一の外形を有している。図６においては、天板２０と周縁部６２とをロウ付け等で固定した場合に重なる位置を、破線で示している。なお図６においては、冷媒流通部９２に配置される冷却ピン９４は省略している。また、各部材間のロウ材も省略している。
図６に示すように、周縁部６２は、冷媒流通部９２を囲んで配置されており、天板２０、側壁板６３および底板６４とともに冷媒流通部９２を密閉している。天板２０の下面２４、底板６４の上面６５および側壁板６３により、冷媒流通部９２が画定されている。
また、天板２０および底板６４は、同一の厚みを有してよい。周縁部６２、側壁板６３および底板６４は、一枚の板状の金属を鍛造加工することで形成してよく、他の方法で形成してもよい。鍛造加工とは、金属板を、所定の形状の金型等を用いて押圧、または、圧縮して所定の形状に加工する方法である。
図７は、ケース部４０の他の例を示す斜視図である。本例のケース部４０は、天板２０および側壁板６３が一体に形成されている。底板６４は、側壁板６３の下端に、ロウ付け等で固定される。本例では、天板２０および側壁板６３を、鍛造加工により形成してよく、他の方法で形成してもよい。
図８は、ケース部４０の他の例を示す斜視図である。図８では、天板２０が分離した状態のケース部４０を示している。
図９は、天板２０を固定した状態のケース部４０を示す斜視図である。本例のケース部４０は、天板２０の構造が異なる。他の構造は、図１から図７において説明したいずれかの態様のケース部４０と同一である。
本例の天板２０は、上面２２において、１つ以上の凹部３０を有する。凹部３０は、天板２０の厚み方向（z軸方向）における厚みが、凹部３０以外の領域における天板２０の厚みよりも小さい。ただし、凹部３０は、天板２０を貫通してはいない。
天板２０には、凹部３０を囲む外周部３２が設けられている。外周部３２は、天板２０の辺１６、１８に沿って環状に設けられてよい。外周部３２における天板２０のｚ軸方向の厚みは、凹部３０における天板２０のｚ軸方向の厚みよりも大きい。
凹部３０には、図１に示した回路基板７６および半導体チップ７８等が配置される。また、凹部３０は、第１冷却ピン９４－１または第２冷却ピン９４－２と重なる領域（すなわち、フィン領域９５と重なる領域）の少なくとも一部に配置されている。凹部３０とフィン領域９５とが重なるとは、凹部３０およびフィン領域９５を同一のｘｙ面に投影した場合に、凹部３０の少なくとも一部の領域が、フィン領域９５と重なることを指す。凹部３０の全体の領域が、フィン領域９５と重なって配置されることが好ましい。凹部３０と重なる領域には、第１冷却ピン９４－１および第２冷却ピン９４－２の両方が配置されていることが好ましい。
凹部３０を設けることで、回路基板７６と冷却ピン９４との間における天板２０の厚みを小さくでき、半導体装置７０が発生した熱を効率よく冷却ピン９４に伝達できる。また、凹部３０を囲む外周部３２における天板２０の厚みを大きくすることで、天板２０の機械的な強度を維持できる。これにより、天板２０の変形を抑制できる。
天板２０が複数の凹部３０を有する場合、２つの凹部３０の間には、相間領域３４が設けられる。相間領域３４は、凹部３０にそれぞれ配置される回路基板７６の間の領域である。本例の天板２０の上面２２には、ｙ軸方向に沿って複数の凹部３０が配列されている。凹部３０は、ｘ軸方向における天板２０の上面２２の中央と重なるように配置されてよい。凹部３０のｘ軸方向における中央位置は、上面２２の中央位置と一致していてもよい。相間領域３４における天板２０の厚みは、凹部３０における天板２０の厚みよりも大きい。相間領域３４における天板２０の厚みは、外周部３２における天板２０の厚みと同一であってよい。一例として、天板２０は、連続した一枚の板部材であってよい。この場合、鍛造加工により凹部３０を形成してよい。
図１０は、凹部３０に配置される回路基板７６および半導体チップ７８の一例を示す斜視図である。それぞれの凹部３０に、１つ以上の回路基板７６が配置される。本例では、１つの凹部３０に、１つの回路基板７６が配置される。凹部３０のｘｙ面における形状は、回路基板７６のｘｙ面における形状と同一であってよい。なお、回路基板７６および半導体チップ７８に接続されるリードフレーム等は、図１０では省略している。
それぞれの回路基板７６には、１つ以上の半導体チップ７８が設けられている。本例では、天板２０の上面２２には、３相インバータに用いられる回路基板７６および半導体チップ７８が配置されている。一例として、１つの凹部３０には、１相分の回路基板７６および半導体チップ７８が配置される。
図１１は、凹部３０とフィン領域９５の配置例を示す図である。図１１においては、同一のｘｙ面に、凹部３０とフィン領域９５とを投影して示している。凹部３０は実線で示しており、冷却ピン９４は破線の丸印で示している。
上述したように、凹部３０は、フィン領域９５と重なって設けられている。少なくとも凹部３０と重なる領域には、第１冷却ピン９４－１および第２冷却ピン９４－２の両方が配置されていてよい。これにより、回路基板７６の下方において、冷却ピン９４の間に異物が残留することを抑制できる。また、少なくとも半導体チップ７８と重なる領域に、第１冷却ピン９４－１および第２冷却ピン９４－２の両方が配置されていてよい。
相間領域３４と重なる位置には、第１冷却ピン９４－１よりも、ｚ軸方向における長さが小さい第３冷却ピン９４－３が配置されていてよい。図１１においては、第３冷却ピン９４－３を黒丸で示している。相間領域３４と重なる位置には、第３冷却ピン９４－３だけが配置されていてよく、第３冷却ピン９４－３に加えて第１冷却ピン９４－１および第２冷却ピン９４－２の少なくとも一方が配置されていてもよい。本例では、第３冷却ピン９４－３は、凹部３０と重なる領域には配置されていない。第３冷却ピン９４－３のｚ軸方向における長さは、冷媒流通部９２の厚みの半分以下であってよい。第３冷却ピン９４－３を設けることで、異物の通過を更に容易にできる。また、凹部３０と重なる領域には第３冷却ピン９４－３を配置しないので、冷却ピン９４を短くしたことによる放熱性能の低下を抑制できる。図１～６で例示したケース部４０において、第３冷却ピン９４－３が、２つの回路基板７６の間の領域に設けられてもよい。
また、ｙ軸方向において、凹部３０と、側壁板６３との間の領域にも、第３冷却ピン９４－３が配置されていてよい。これにより、側壁板６３に接する領域において、異物の通過を容易にできる。また、図１１には示していないが、ｘ軸方向においても、凹部３０と、側壁板６３との間の領域に、第３冷却ピン９４－３が配置されていてよい。一例として、凹部３０と重ならない冷却ピン９４は、全て第３冷却ピン９４－３であってもよい。第３冷却ピン９４－３以外の冷却ピン９４の配置は、図４において説明した配置と同様である。
図１２は、凹部３０を有する天板２０の構造例を示す斜視図である。本例の天板２０は、図１から図１１において説明したいずれの態様に適用してもよい。本例の天板２０は、下側板状部２３と、上側枠状部２５とを有する。下側板状部２３は、上面２７と下面２９とを含む板形状である。下面２９には、第１冷却ピン９４－１および第２冷却ピン９４－２を含む複数の冷却ピン９４が固定されている。下側板状部２３には、貫通孔８２の一部となる貫通孔８１が設けられている。
上側枠状部２５は、下側板状部２３の上面２７にロウ付け等により固定される。上側枠状部２５は、凹部３０と対応する領域に貫通開口３１が設けられた枠状部材である。貫通開口３１の形状は、凹部３０と同一である。上側枠状部２５は、貫通開口３１の周囲に配置された外周部３３を有する。外周部３３は、図８において説明した外周部３２と対応する領域に設けられている。
また、上側枠状部２５に複数の貫通開口３１が設けられている場合、上側枠状部２５は、２つの貫通開口３１の間に相間部３５を有する。相間部３５は、図８において説明した相間領域３４と対応する領域に設けられている。上側枠状部２５には、貫通孔８２の一部となる貫通孔８３が設けられている。下側板状部２３および上側枠状部２５を設ける構造によって、凹部３０を有する天板２０を、簡単な工程で形成できる。
図１３は、本発明の一つの実施形態に係る車両２００の概要を示す図である。車両２００は、少なくとも一部の推進力を、電力を用いて発生する車両である。一例として車両２００は、全ての推進力をモーター等の電力駆動機器で発生させる電気自動車、または、モーター等の電力駆動機器と、ガソリン等の燃料で駆動する内燃機関とを併用するハイブリッド車である。
車両２００は、モーター等の電力駆動機器を制御する制御装置２１０（外部装置）を備える。制御装置２１０には、半導体モジュール１００が設けられている。半導体モジュール１００は、電力駆動機器に供給する電力を制御してよい。
図１４は、本発明の一つの実施形態に係る半導体モジュール１００の主回路図である。半導体モジュール１００は、車両のモーターを駆動する車載用ユニットの一部であってよい。半導体モジュール１００は、出力端子Ｕ、ＶおよびＷを有する三相交流インバータ回路として機能してよい。
半導体チップ７８‐１、７８‐２および７８‐３は半導体モジュール１００における下アームを、複数の半導体チップ７８‐４、７８‐５および７８‐６は半導体モジュール１００における上アームを構成してよい。一組の半導体チップ７８‐１、７８－４はレグを構成してよい。一組の半導体チップ７８‐２、７８－５、一組の半導体チップ７８‐３、７８－６も同様にレグを構成してよい。半導体チップ７８は、レグ単位で、上述した凹部３０に配置されてよい。
半導体チップ７８‐１においては、エミッタ電極が入力端子Ｎ１に、コレクタ電極が出力端子Ｕに、それぞれ電気的に接続してよい。半導体チップ７８‐４においては、エミッタ電極が出力端子Ｕに、コレクタ電極が入力端子Ｐ１に、それぞれ電気的に接続してよい。同様に、半導体チップ７８‐２、７８－３においては、エミッタ電極がそれぞれ入力端子Ｎ２、Ｎ３に、コレクタ電極がそれぞれ出力端子Ｖ、Ｗに、電気的に接続してよい。さらに、半導体チップ７８‐５、７８‐６においては、エミッタ電極がそれぞれ出力端子Ｖ、Ｗに、コレクタ電極がそれぞれ入力端子Ｐ２、Ｐ３に、電気的に接続してよい。
各半導体チップ７８‐１から７８‐６は、半導体チップ７８の制御電極パッドに入力される信号により交互にスイッチングされてよい。本例において、各半導体チップ７８はスイッチング時に発熱してよい。入力端子Ｐ１、Ｐ２およびＰ３は外部電源の正極に、入力端子Ｎ１、Ｎ２およびＮ３は負極に、出力端子Ｕ、Ｖ，およびＷは負荷にそれぞれ接続してよい。入力端子Ｐ１、Ｐ２およびＰ３は互いに電気的に接続されてよく、また、他の入力端子Ｎ１、Ｎ２およびＮ３も互いに電気的に接続されてよい。
半導体モジュール１００において、複数の半導体チップ７８‐１から７８‐６は、それぞれＲＣ‐ＩＧＢＴ（逆導通ＩＧＢＴ）半導体チップであってよい。ＲＣ‐ＩＧＢＴ半導体チップにおいて、ＩＧＢＴおよび還流ダイオード（ＦＷＤ）は一体形成され、且つ、ＩＧＢＴおよびＦＷＤは逆並列に接続されてよい。複数の半導体チップ７８‐１から７８‐６は、それぞれＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのトランジスタとダイオードとの組み合わせを含んでよい。トランジスタおよびダイオードのチップ基板は、シリコン基板、炭化ケイ素基板や窒化ガリウム基板であってよい。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
１０・・・冷却装置、１６・・・短辺、１８・・・長辺、２０・・・天板、２２・・・上面、２３・・・下側板状部、２４・・・下面、２５・・・上側枠状部、２６・・・短辺、２７・・・上面、２８・・・長辺、２９・・・下面、３０・・・凹部、３１・・・貫通開口、３２・・・外周部、３３・・・外周部、３４・・・相間領域、３５・・・相間部、４０・・・ケース部、４２・・・開口部、６２・・・周縁部、６３・・・側壁板、６４・・・底板、６５・・・上面、６６・・・下面、７０・・・半導体装置、７２・・・収容部、７４・・・封止部、７６・・・回路基板、７８・・・半導体チップ、８１・・・貫通孔、８２・・・貫通孔、８３・・・貫通孔、８６・・・貫通孔、９２・・・冷媒流通部、９４・・・冷却ピン、９５・・・フィン領域、９６・・・列、９７・・・列、９８・・・空間部、９９・・・冷媒流路、１００・・・半導体モジュール、１０２・・・直線、１０４・・・直線、２００・・・車両、２１０・・・制御装置

Claims (22)

  1. 半導体チップを含む半導体モジュール用の冷却装置であって、
    天板、底板、ならびに、前記天板および前記底板の間に配置された側壁板を含み、前記天板、前記底板および前記側壁板に囲まれた冷媒流通部を有するケース部と、
    前記ケース部の前記冷媒流通部において前記天板に固定された複数の第１冷却ピンと、
    前記ケース部の前記冷媒流通部において前記天板に固定され、前記天板から前記底板に向かう厚み方向における長さが、第１冷却ピンよりも長い複数の第２冷却ピンと
    を備え、
    前記底板は平坦な上面を有し、
    １つ以上の第１冷却ピンと、１つ以上の第２冷却ピンとが、前記天板と平行な面における第１方向に沿って交互に２回ずつ以上配置され、
    前記第２冷却ピンと前記上面との距離は、前記第１冷却ピンと前記上面との距離よりも小さい、冷却装置。
  2. 前記第２冷却ピンは、前記第２冷却ピンの下端が前記上面と接するように設けられる、請求項１に記載の冷却装置。
  3. 前記天板は、前記複数の第１冷却ピンおよび前記複数の第２冷却ピンが固定された下面と、前記下面とは逆側の上面とを有し、前記上面において前記複数の第１冷却ピンまたは前記複数の第２冷却ピンと重なる領域の少なくとも一部に凹部が設けられている
    請求項１または２に記載の冷却装置。
  4. 前記天板は、前記凹部を囲む外周部を有し、前記厚み方向における前記外周部の厚みは前記凹部の厚みよりも大きい
    請求項３に記載の冷却装置。
  5. 前記天板は、連続した一枚の板部材である
    請求項４に記載の冷却装置。
  6. 前記天板は、
    上面および下面を含む板形状であり、前記下面に前記複数の第１冷却ピンおよび前記複数の第２冷却ピンが固定された下側板状部と、
    前記下側板状部の前記上面に固定され、前記凹部と対応する領域に貫通開口が設けられた上側枠状部と
    を有する請求項４に記載の冷却装置。
  7. 前記天板は、複数の前記凹部と、２つの前記凹部に挟まれた相間領域とを有し、
    前記相間領域と重なる位置に、前記第１冷却ピンよりも前記厚み方向における長さが小さい第３冷却ピンが配置されている
    請求項５に記載の冷却装置。
  8. 前記天板は、複数の前記凹部と、２つの前記凹部に挟まれた相間部とを有し、
    前記相間部と重なる位置に、前記第１冷却ピンよりも前記厚み方向における長さが小さい第３冷却ピンが配置されている
    請求項６に記載の冷却装置。
  9. 半導体チップを含む半導体モジュール用の冷却装置であって、
    天板、底板、ならびに、前記天板および前記底板の間に配置された側壁板を含み、前記天板、前記底板および前記側壁板に囲まれた冷媒流通部を有するケース部と、
    前記ケース部の前記冷媒流通部において前記天板に固定された複数の第１冷却ピンと、
    前記ケース部の前記冷媒流通部において前記天板に固定され、前記天板から前記底板に向かう厚み方向における長さが、第１冷却ピンよりも長い複数の第２冷却ピンと
    を備え、
    １つ以上の第１冷却ピンと、１つ以上の第２冷却ピンとが、前記天板と平行な面における第１方向に沿って交互に２回ずつ以上配置され、
    前記天板は、複数の凹部と、２つの前記凹部に挟まれた相間領域とを有し、
    前記相間領域と重なる位置に、前記第１冷却ピンよりも前記厚み方向における長さが小さい第３冷却ピンが配置されている、冷却装置。
  10. 第１冷却ピンの前記底板側の端部と、前記底板との間に、前記厚み方向における長さが１ｍｍ以上の空間部が設けられている
    請求項１から９のいずれか一項に記載の冷却装置。
  11. 前記第１冷却ピンおよび前記第２冷却ピンは、予め定められた冷却フィン領域内に配置されており、
    前記空間部は、予め定められた直線方向において、前記冷却フィン領域を横断して連続して設けられている
    請求項１０に記載の冷却装置。
  12. 前記直線方向および前記厚み方向の両方に垂直な方向における前記空間部の幅は、１ｍｍ以上である
    請求項１１に記載の冷却装置。
  13. １つ以上の前記第１冷却ピンと、１つ以上の前記第２冷却ピンとが、前記第１方向とは異なる第２方向に沿って交互に２回ずつ以上配置されている
    請求項１から１２のいずれか一項に記載の冷却装置。
  14. 前記第１方向および前記第２方向の少なくとも一方において、前記第２冷却ピンの間には、複数の前記第１冷却ピンが配置されている
    請求項１３に記載の冷却装置。
  15. 前記第１冷却ピンおよび前記第２冷却ピンは、前記天板の長手方向において予め定められた第１間隔で配置されており、
    前記長手方向において最も端に配置された冷却ピンと、前記側壁板との距離が、前記第１間隔の２倍以上である
    請求項１から１４のいずれか一項に記載の冷却装置。
  16. 前記天板は、前記複数の第１冷却ピンおよび前記複数の第２冷却ピンが固定された下面と、前記下面とは逆側の上面とを有し、前記上面において前記複数の第１冷却ピンまたは前記複数の第２冷却ピンと重なる領域の少なくとも一部に前記複数の凹部が設けられている
    請求項９に記載の冷却装置。
  17. 前記天板は、前記凹部を囲む外周部を有し、前記厚み方向における前記外周部の厚みは前記凹部の厚みよりも大きい
    請求項１６に記載の冷却装置。
  18. 前記天板は、連続した一枚の板部材である
    請求項１７に記載の冷却装置。
  19. 前記天板は、
    上面および下面を含む板形状であり、前記下面に前記複数の第１冷却ピンおよび前記複数の第２冷却ピンが固定された下側板状部と、
    前記下側板状部の前記上面に固定され、前記凹部と対応する領域に貫通開口が設けられた上側枠状部と
    を有する請求項１７に記載の冷却装置。
  20. 請求項１から１９のいずれか一項に記載の冷却装置と、
    前記天板の上方に配置された半導体装置と
    を備える半導体モジュール。
  21. 請求項２０に記載の半導体モジュールを備える車両。
  22. 請求項５または１８に記載した冷却装置の製造方法であって、
    前記凹部を鍛造加工により形成する製造方法。
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